航空发动机整机振动典型故障分析

航空发动机整机振动典型故障分析
摘要：为解决航空发动机振动引起的设备故障问题，提升飞机的安全飞行系数。

本文立足实际，对航空发动机整机振动典型故障进行解析，提出相关的处理方法。

关键词：航空发动机；整机振动；典型故障
引言
在航空燃气涡轮发动机设计、生产环节，整机振动是极为严重的问题之一，很多发动机在研究和生产中都遇到过，必须切实解决，才能保证发动机的正常运行，促进航空发动机领域的发展。

有些发动机在研发阶段，就会遇到整机振动问题的影响，其振动超标的问题比较严重，通常占比为1/4—1/3，对于发动机的调试和运行造成不利的影响；有些发动机在投入使用后，由于振动偏大而产生的安全问题，返修率达5%。

振动发生后，极易导致结构的可靠性、安全性不合格，产生较大的经济损失。

整机振动故障的发生原因比较多，复杂性较高，是综合性因素构成的。

因此，深入分析整机振动的发生规律，总结形成原因，采取合理的有效措施解决整机振动的问题，对于航空发动机的研发和应用有积极作用。

本文主要分析整机振动典型故障，结合实际情况总结出解决措施，希望为发动机稳定运行提供帮助。

1转子热弯曲引发的振动故障
在国内外的航空发动机研究机构日常工作中，极为重视转子发热的问题，投入的研究力量比较大。

美国空军涡轮发动机机构发布大纲中指出，从符合飞机的战术方面分析，首先要解决的问题就是热启动问题，这已经成为航空发动机研发和应用的重点，并且将挠区转子的启动问题作为研究和试验的重点。

在某航空发动机研发中，多次出现转子发热产生的振动偏大问题。

其振动的特点就是在启动时振动变得非常强烈，超过规定的振动峰值，有些还会导致启动终止，或者出现气压机转子的损伤，或者叶片出现严重的摩擦，导致结构损坏的问题，如果非常
严重的情况下，极易导致转子出现掉角、裂纹的问题。

热启动时，转子热弯曲的问题就会出现在发动机停车后，这是系统工作温度相对较高，叶片—轮盘—转轴封闭机匣内，在冷却的过程中。

外部的气流会持续性进入到发动机内部，因为外部气流的温度比较低，发动机内部温度高，热气流会不断的向上移动，而冷气流则会向下移动。

因此，转子周边出现温度不均匀的情况，上部热、下部冷。

受到温度荷载的持续性影响，转子的上下膨胀率不同，导致弯曲变形的问题。

温差越大，变形问题就会越严重，也会出现不平衡量的问题，导致外传振动升高。

经过大量的试验数据分析发现，在热启动时存在的振动响应不仅与热启动前的停车时间间隔存在关系，同时也与发动机上一次试车时的工作状态存在关系。

如果在上一次试车的过程中，处于较高状态之中，一旦持续的时间过长，就会造成发动机内部全部热透，转、静子间隙比较好，热启动的条件之下就不会发生相互摩擦的情况，外传振动也会升高。

如果上一次试车时的工作状态较低，所以这时整个结构就没有完全的热透，造成间隙比较小，在热启动后出现了转子与静子之间较大的摩擦，进而产生过大的振动，通常振动的反应要增加20%--50%。

从实际应用效果来看，为了预防热启动后存在过大的振动反应，在发动机设计师应分析多方面因素，确保转子与静子间隙在合理的范围内，并且还要在系统内设置一定的弯曲平动或者俯仰临界转速，从而存在足够的裕度，不会发生严重摩擦的情况。

在投入使用后，选择使用热弯曲效果好的转子，在规定停车的区间内开始再次热启动，防止出现转子热弯曲的问题。

从上述分析发现，在发动机再次开启运行前，进行一次冷转动，从而改善转子热弯曲而产生的振动问题，保持平稳运行。

2转、静子碰摩引发的振动故障
航空发动机来说，随着研发的深入，先进技术不断应用，推重比不断提高，工作介质温度、压力是主要的循环参数，所以这对于转子、静子的间隙有着更高的要求，所以要想彻底解决整机振动问题，难度必然会升高。

通过适当的增大转子与静子的间隙，必然会给工作效率、推力造成较大的影响，而减小转子与静子的间隙，则会导致其摩擦反应而发生振动，也会造成整机振动的问题。

以某航空
发动机的调试分析发现，出现与瞬态温度场相关的振动增大的问题，分析振动故障，得出如下问题：
（1）按照振动测量与频谱分析后结论得出，振动值增大的情况下，主要是
高压转子1倍频率分量比较大，在规定范围内的高压转子2倍频率分量，而低压
转子1倍频率分量较小。

所以，在振动过大的问题，是因为高压转子造成的。

（2）经过“暖机”的操作后，稳态与瞬态的作用下，振动值也会比较小，
比振动限定参数值要小很多，即使处于高速运转的情况下，振动值会很小，这就
表示振动故障并不是转子不平衡量所造成的。

（3）在全面性的“暖机”的情况下，振动值会很小。

只是在油门杆上推时，某个转速达到峰值的条件下，在油门杆下拉时不会超出振动峰值。

这就说明振动
问题的发生并不是转子共振或者临界转速引发的。

（4）经过分析发现，该振动故障问题与发动机温度场、工作转速存在关系。

这就说明在发动机的某个工作状态中，转子、静子的间隙会发生变化，如果发生
较大的变形，极易导致转子与静子发生较大的摩擦。

如果经过一定的摩擦导致两
者之间涂抹的封严件涂层磨没了后，就会出现结构直接碰撞的情况，产生严重磨
损和振动。

对于该问题，了解发动机的静子与转子碰撞摩擦的情况，合理处理间隙，适当的增大，振动峰值减小，振动峰值也会减小，从而规避振动问题。

3 结语
综合以上分析，航空发动机故障出现振动问题会影响系统稳定性运行。

故而
在故障分析阶段，需要明确故障形成因素，采取专门的措施进行控制，这样才能
保证飞机的安全飞行。

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